CN101613623A

CN101613623A - 改进的氧气分级气化工艺

Info

Publication number: CN101613623A
Application number: CN 200910088825
Authority: CN
Inventors: 顾大地; 岳光溪
Original assignee: Hua Bangsong
Current assignee: Hua Bangsong
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2009-12-30

Abstract

本发明涉及一种以煤、焦为原料气化，生产含有一氧化碳和氧气的粗煤气的气化工艺，该工艺包括如下步骤：1)将原燃料、预混气体、一次氧气一起从气化炉顶部给料烧嘴送入气化炉，进行一次燃烧、气化反应；2)同时从位于气化炉的气化室中上部的二次氧气喷嘴补充二次氧气，发生二次燃烧、气化反应，所述二次氧气与一次氧气的流量比例为5∶95至30∶70；3)灰碴沿气化炉内壁向下流动，在炉底部与水接触形成固态熔碴，并将该固态熔渣排出，气化室产生的粗煤气从位于气化炉侧壁下部的粗煤气出口排出。该工艺使炉温轴向温度曲线的优化更明显，气化效率也更高。

Description

改进的氧气分级气化工艺

技术领域

本发明涉及一种以煤、焦为原料气化，生产含有一氧化碳和氢气的粗煤气的气化工艺。

背景技术

现有的可将煤、焦气化生成含有一氧化碳和氢气的气化炉，一般采用原燃料及氧气同时投入的方式。由于无法人为控制气化炉内的反应状态，使得炉内的温度分布和气流状态不尽合理。本申请发明人申请的申请号为02121086.1的中国发明专利申请“非熔碴-熔碴气化炉”公开的结构涉及到了两次氧气供给，但是，必须采取两个炉体，结构复杂，投资较高，管路连接存在一些工程方面的困难，在推广应用中还应予以改进。

本申请发明人的专利号为200610114039.1、名称为“用于煤、焦气化的分级式气化炉”的中国发明专利公开了一种在一个炉体内特定区域设置二次给氧喷嘴的技术方案，即在炉体回流区下缘设置二次氧气喷嘴，从而可以在一个炉体内采用分级加入氧气的方法，调节炉内氧气的分布，建立炉内不同温度区，优化反应条件，第二级加入的氧气在回流区下缘，可扰动炉内“回流区”的气体，强化此区域内原燃料和氧气的传质与传热，使这个低效率的回流区域变成了高效率的反应区域，大大减少了回流区的空间，强化了炉内化学反应的传质和传热过程，在不改变炉体结构的条件下提高了气化炉的容积利用率。采用分级加入氧气还在一个气化炉内形成了上下串联连接的两部分，即上下顺流连结的炉内低温非熔碴区与高温熔碴区。上下串联的优势在于原燃料和氧气在气化炉内流动顺畅，不会造成两个孤立炉体存在的固、气两相的分离和偏流。上下两部分可采用等直径直接连接，也可采用不等直径直接连接或缩径连接。

上述专利利用二次加氧虽然提高了气化炉的容积利用率，却没有考虑到二次加氧量对气化气中CO₂含量的影响，对于气化工艺来说，气化气中的CO₂的含量是重要的指标，直接影响有效气体(CO+H₂)的含量。因为虽然二次加氧促进了气化反应，但由于在气化炉内，存在着CO和CO₂的平衡反应，因此，二次加氧量如果不合适，不但无助于有效气体含量的提高，反而会使得二次燃烧、气化反应不充分，或者会提高CO₂的含量，降低有效气体的含量。

发明内容

本发明解决煤气化工艺中二次加氧对气化气中有效气体含量和CO₂含量的不确定以及导致二次燃烧、气化反应不充分的问题，提供一种气化工艺，能够提高现有技术的气化效率。

本发明的技术方案如下：

一种改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)将原燃料、预混气体、一次氧气一起从气化炉顶部给料烧嘴送入气化炉，进行一次燃烧、气化反应；

2)同时从位于所述气化炉的气化室中上部的二次氧气喷嘴补充二次氧气，发生二次燃烧、气化反应，所述二次氧气与一次氧气的流量比例为5∶95至30∶70；

3)灰碴沿气化炉内壁向下流动，在炉底部与水接触形成固态熔碴，并将该固态熔渣排出，气化室产生的粗煤气从位于气化炉侧壁下部的粗煤气出口排出。

所述预混气体从给料烧嘴的中心喷嘴喷出，所述预混气体为氧含量为0～100％的气体，所述预混气体的非氧气组分包括N₂和/或CO₂和/或H₂O气。

在垂直于气化炉的炉体轴线的同一平面设置一个或多个二次氧气喷嘴，所述二次氧气喷嘴所在平面距给料烧嘴下缘的垂直距离为气化室直筒段长度的15％～35％。

在垂直于气化炉的炉体轴线的不同平面分别设置一个或多个二次氧气喷嘴，所述不同平面按照二次氧气喷嘴所在平面距给料烧嘴下缘的垂直距离从近至远分为第一层平面和第二层平面，所述第一层平面距给料烧嘴下缘的垂直距离为气化室直筒段长度的15％～35％，所述第二层平面距第一层平面的垂直距离为气化室直筒段长度的4％～12％。

所述的二次氧气喷嘴将二次氧气以70米/秒至200米/秒速度送入气化炉内。

所述二次氧气与一次氧气的流量比例优选为10∶90至25∶75。

本发明的技术效果：

本发明改进的氧气分级气化工艺，对二次氧气与一次氧气的流量比例进行了限制，当二次氧气与一次氧气的流量比例小于5∶95时，会使得二次燃烧、气化反应不充分，实际上没有发挥二次氧气的作用，导致气化炉轴向温度曲线变化不大：顶部最高温度点仍在顶部，且平均温度也没有太大变化；当二次氧气与一次氧气的流量比例大于30∶70时，会提高CO₂的含量，降低有效气体的含量，气化效率将明显下降。因此，只有将二次氧气与一次氧气的流量比例控制到上述范围，即加入合适量的二次氧气，才能真正实现提高气化炉气化效率的作用，使得气化炉轴向温度曲线趋于合理：顶部最高温度点下移，且平均温度得到提高。

预混气体从给料烧嘴的中心喷嘴喷出，以氧含量为0～100％的气体作为预混气体，能够降低顶部氧化强度，从而降低气化炉顶部给料烧嘴区域的温度，延长该给料烧嘴的使用寿命，由于预混气体的氧含量范围可以在较大范围内调整，使得工厂运行更灵活。

在垂直于气化炉的炉体轴线的同一平面或不同平面可设置一个或多个二次氧气喷嘴，由于喷入的气体只有气体，没有固体，故质量较小，二次氧气喷嘴即使不对称布置，也不会烧蚀对面炉壁。设置不同高度的二次氧气喷嘴可扩大氧化区域，有利于气化炉能力的提高。

二次氧气喷嘴将二次氧气以70米/秒至200米/秒速度送入气化炉内，形成的反扩散火焰处于炉膛中部，不会烧蚀二次氧气喷嘴和二次氧气喷嘴周边的炉壁。

附图说明

图1为本发明一种优选的改进的氧气分级气化工艺中二次氧气与一次氧气在不同流量比例下的气化炉轴向温度变化示意图；

图2为二次氧气与一次氧气的流量比例与气化炉出口CO₂含量的关系示意图；

图3a、3b和3c分别为本发明改进的氧气分级气化工艺中三种不同气化炉及其设置不同二次氧气喷嘴的实施例的结构示意图。

图中各标号列示如下：

1、耐压钢壳体，2、耐火层，3、二次氧气喷嘴，4、给料烧嘴，41、内管，42、中间套管，43、外层套管，5、粗煤气出口，6、排渣口，7、补水口，8、排水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明一种优选的改进的氧气分级气化工艺包括下述步骤：

1)将原燃料(煤、焦的干粉或浆料)、预混气体、一次氧气一起从气化炉顶部给料烧嘴送入气化炉，进行一次燃烧、气化反应，形成局部低温区；其中，预混气体从给料烧嘴的中心喷嘴喷出，例如，给料烧嘴为三套管式给料喷嘴，分为内管、中间套管和外层套管，内管通入预混气体，中间套管通入煤、焦的干粉或浆料，外层套管通入一次氧气，以氧含量为0～100％的气体作为预混气体，其中，氧含量为100％时，预混气体为纯氧气，当氧含量小于100％时，预混气体中的非氧气组分优选包括N₂、CO₂、H₂O气等气体，加入非氧气组分能够降低气化炉顶部给料烧嘴区域的温度，延长该给料烧嘴的使用寿命。

2)从位于所述气化炉的气化室中上部的二次氧气喷嘴补充二次氧气，发生二次燃烧、气化反应，所述二次氧气与一次氧气的流量比例为5∶95至30∶70，从而形成局部高温区。二次加氧量对气化气中有效气体(CO+H2)含量有很大影响，只有加入上述范围的二次氧气才能使得气化炉轴向温度曲线趋于合理：顶部最高温度点下移，且平均温度得到提高，才能提高气化炉的气化效率，二次氧气与一次氧气的流量比例过高或过低都不能提高气化炉的气化效率，甚至降低气化效率。图1给出了本发明工艺中二次氧气与一次氧气在不同流量比例下的气化炉轴向温度变化示意图，图中X轴表示气化炉从顶部到底部(或者说是从气化室顶到气化室底)的轴向高度，Y轴表示温度，图中标示A、B、C、D和E分别表示二次氧气与一次氧气的流量比例为0∶100、5∶95、10∶90、20∶80和30∶70，所指的流量可以是体积流量或者是重量流量，但针对某一工况，两次氧气流量的比例是一致的。图中能够得出该二次氧气与一次氧气的流量比例为5∶95至30∶∶70时，炉温轴向温度曲线的优化才明显，尤其在10∶90至25∶75时，气化效率比其他比例范围要高，当二次氧气与一次氧气的流量比例小于5∶95时，会使得二次燃烧、气化反应不充分，实际上没有发挥二次氧气的作用，导致气化炉轴向温度曲线变化不大：顶部最高温度点仍在顶部，且平均温度也没有太大变化；当二次氧气与一次氧气的流量比例大于30∶70时，会提高CO₂的含量，降低有效气体的含量，气化效率将明显下降。图2所示的二次氧气与一次氧气的流量比例与气化炉出口CO₂含量的关系示意图，图中Z轴表示二次氧气与一次氧气的流量比例，V轴表示CO₂的含量，二次氧气与一次氧气的流量比例对于气化气中的CO₂含量关系密切，二次氧气与一次氧气的流量比例为5∶95至30∶70时，CO₂含量位于曲线低端，大于30∶70之后，CO₂含量明显上升，相应CO含量就会显著下降，气化效率将明显下降。需要补充的是，由于预混气体中的氧含量可以为0～100％，当预混气体中的氧含量大于0％时，即预混气体中也会含有氧气，则给料烧嘴中送入的氧气包括一次氧气和预混气体中的氧气，此时上面谈到的二次氧气与一次氧气的流量比例实际为二次氧气与给料烧嘴中送入的全部氧气的流量比例。

二次氧气喷嘴可将二次氧气以70米/秒至200米/秒速度送入气化炉内，形成的反扩散火焰处于炉膛中部，不会烧蚀二次氧气喷嘴和二次氧气喷嘴周边的炉壁。

3)熔融态的灰碴沿气化炉耐火层或水冷壁构成的内壁向下流动，在炉底部与水接触固化形成玻璃体的固态熔碴，并将该固态熔渣排出，气化室产生的粗煤气从位于气化炉侧壁下部的粗煤气出口排出。

图3a、3b和3c分别为本发明改进的氧气分级气化工艺中三种不同气化炉及其设置不同二次氧气喷嘴的实施例的结构示意图，气化过程在气化炉内完成，化学反应所需要的氧气一部分从位于气化炉顶部的给料烧嘴外层套管43加入，另一部分从位于气化炉侧壁并在气化室中上部的二次氧气喷嘴3加入。其中，气化炉由耐压钢壳体1和其内的耐火层2构成，形成炉体，给料烧嘴4为三套管式给料喷嘴，其内管41通入预混气体，中间套管42通入煤、焦的干粉或浆料，外层套管43通入一次氧气，二次氧气喷嘴3喷入二次氧气，最终生成的含有CO和H₂的粗煤气经耐压钢壳体1的侧壁下部设置的粗煤气出口5送出气化炉，排渣口6装在耐压钢壳体1的底部，耐压钢壳体1的下部装有排水口8和补水口7。

图3a、3b和3c分别表示等直径炉体、不等直径炉体和不等直径缩径连接炉体的气化炉，并且二次氧气喷嘴3的位置和个数可以设置得不相同。通常将二次氧气喷嘴3设置在耐压钢壳体1的侧壁上部(即气化室中上部)，可以在垂直于气化炉的炉体轴线的同一平面或不同平面设置一个或多个二次氧气喷嘴，且同一平面的两个或多个二次氧气喷嘴喷入的气体流量、速度都可以不同。图3c在垂直于气化炉的炉体轴线的同一平面对称设置了两个二次氧气喷嘴，当然同理，二次氧气喷嘴也可以不对称设置，或者设置多个；图3a和图3b均在垂直于气化炉的炉体轴线的两个平面分别设置了一个或多个二次氧气喷嘴，二次氧气喷嘴的优选位置为：按照二次氧气喷嘴所在平面距给料烧嘴下缘的垂直距离从近至远分为第一层平面和第二层平面，第一层平面距给料烧嘴下缘的垂直距离H1为气化室直筒段长度S的15％～35％，第二层平面距第一层平面的垂直距离H2为气化室直筒段长度S的4％～12％。需要补充说明的是，在图3b所示的不等直径炉体中，上述“给料烧嘴下缘”指的是炉体直径增大处，此时气化室直筒段长度S为该炉体直径增大处下部的气化室的长度；在图3c所示的不等直径缩径连接炉体中，上述“给料烧嘴下缘”指的是缩经后炉体直径增大处，此时气化室直筒段长度S为缩经后炉体直径增大处下部的气化室的长度。在不同层面上设置不同高度的二次氧气喷嘴可扩大氧化区域，有利于气化炉能力的提高。

Claims

1、一种改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，包括如下步骤：

2、根据权利要求1所述的改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，所述预混气体从给料烧嘴的中心喷嘴喷出，所述预混气体为氧含量为0～100％的气体，所述预混气体的非氧气组分包括N₂和/或CO₂和/或H₂O气。

3、根据权利要求1或2所述的改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，在垂直于气化炉的炉体轴线的同一平面设置一个或多个二次氧气喷嘴，所述二次氧气喷嘴所在平面距给料烧嘴下缘的垂直距离为气化室直筒段长度的15％～35％。

4、根据权利要求1或2所述的改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，在垂直于气化炉的炉体轴线的不同平面分别设置一个或多个二次氧气喷嘴，所述不同平面按照二次氧气喷嘴所在平面距给料烧嘴下缘的垂直距离从近至远分为第一层平面和第二层平面，所述第一层平面距给料烧嘴下缘的垂直距离为气化室直筒段长度的15％～35％，所述第二层平面距第一层平面的垂直距离为气化室直筒段长度的4％～12％。

5、根据权利要求1所述的改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，所述的二次氧气喷嘴将二次氧气以70米/秒至200米/秒速度送入气化炉内。

6、根据权利要求1所述的改进的氧气分级气化工艺，其特征在于，所述二次氧气与一次氧气的流量比例优选为10∶90至25∶75。